利用谷值電壓切換技術提高AC/DC轉換器效率 @ Aquarius

提高電源轉換效率和省電能力對AC/DC應用日益重要。滿載效率向來是AC/DC電源供應設計的主要考量，但隨著越來越多的電源轉接器在待機模式下仍需消耗電力，如何進一步提高輕載和切斷負載時的省電能力也日趨重要。目前此類電源轉接器在世界各地的使用都快速增加，業界也因而開始制定各種新的節能標準。

這些新標準說明電源供應必須符合那些要求，才能提高它們在各種操作狀態下的電源使用效率。

為達到這些新的節能要求，越來越多電源供應開始採用準諧振控制和谷值電壓切換(valley voltage switching)等技術，以及包括脈衝省略(pulse-skipping)在內的多模式操作。透過這些技術，AC/DC轉換器在整個負載範圍內都能提供最高效率和省電能力。越來越多的省電型晶片已開始利用這些技術控制不同架構的電源轉換器。

限制待機耗電越來越多的AC/DC電源轉換器已開始支援待機模式，而不再像過去一樣使用電源開關切斷電源；換言之，即使未執行主要功能，電器設備也會產生耗電。許多設備在待機狀態下都會消耗電力，最常見的例子包括使用遙控器的電視和音響設備；無線電話和無線路由器等使用外接式低壓電源供應的電子設備；影印機和印表機等辦公室設備；以及膝上型電腦充電器等裝置。每個轉換器的待機模式耗電其實不多，通常只在0.3~20W之間。然而待機耗電每天24小時都不會停止，且這類裝置不但數量龐大，還在世界各地以驚人的速度增加。因此把所有的電源轉換器加在一起，這些很小的耗電量就變成可觀的電力浪費。根據估計，待機耗電約佔歐洲家庭及辦公室用電的10%，在美國則相當於總使用電力的4%左右。

為了限制待機耗電，同時提高整個負載範圍內的電源效率，世界各地已開始制定各種新標準，其中又以美國國家環境保護局(EPA)制定的能源之星(Energy Star)最受重視。能源之星包含許多正在逐步發展中的標準，它們能增強無負載和輕負載時的省電能力、提高正常操作下的效率、降低總諧波失真(THD)並使功率因數接近1。

表一是外接式單電壓AC/DC和AC/AC電源供應的能源之星標準，它是目前正在制定的這類標準之一。

在這些新標準出現後，業界開始提出和發展許多新的電源供應架構與控制技術，像是主動箝位與重置、轉移模式與交錯式多相功率因數修正(PFC)、脈衝省略、準諧振控制和谷值電壓切換，其中又以採用準諧振控制或谷值電壓切換及脈衝省略的返馳轉換器是最有用的技術解決方案之一。返馳轉換器架構簡單、低成本、零件數目少、易於控制且能支援多組輸出電壓，因此廣泛應用在各種消費產品。

為了提高效率和省電能力，同一架構的返馳轉換器還能採用準諧振控制等軟切換操作方式，以便減少電力浪費。在準諧振操作模式下，初級端主要開關的導通電壓會大幅降低，使得先前在截止狀態時充電至開關電容的電力能夠送回電源，大幅提升電源效率。相形之下，採用硬切換的CCM和DCM操作模式卻會出現很大的導通功耗。為了提高整個負載範圍的省電效率，返馳轉換器必須依據負載狀況採用不同的操作模式，如逐漸降低開關頻率的FFM模式和省電模式。FFM模式會隨著負載減少而逐漸降低開關頻率，以減少開關損耗。當負載很小時，採用脈衝省略技術的返馳轉換器就會進入磁滯模式，又稱為省電模式或突發操作。

脈衝省略技術能減少開關功耗，同時提高無負載和負載很小時的省電能力。某些應用會使用前端功率因數修正前置穩壓器，可於負載很小時關閉功率因數修正功能，以便進一步節省耗電。

返馳控制元件的設計就是採用這些技術。例如德州儀器(TI)新推出的UCC28600準諧振省電模式返馳控制器就是一例，圖1是它在返馳轉換器的典型應用方式。本文接著將說明這些技術如何提高AC/DC轉換器的效率，同時將它們的省電能力最佳化。

圖1：UCC28600的典型應用電路。

提高電源效率的技術準諧振控制技術讓返馳轉換器在零電壓切換(ZVS)或谷值電壓切換(VVS)的臨界導通模式操作。這類電路會利用LC諧振執行ZVS/VVS切換，LC諧振則是由返馳變壓器的初級線圈電感和初級端主要MOSFET開關兩端的總等效電容(CDS)所產生。MOSFET兩端電壓會在諧振切換過程下降，返馳控制器則會監控該電壓降，並在圖2所示的谷點讓初級端開關導通。谷值電壓有兩種不同情形：

圖2：準諧振控制和谷值電壓切換。

其中N是變壓器圈數比。在此情形下，反射回來的次級端電壓足以讓初級端VDS電壓降為零。因此，只要初級端MOSFET兩端的電壓大於零，這個MOSFET就會導通。

在此情形下，反射回來的次級端電壓不但不足以讓VDS電壓降為零，反而產生電壓谷值。圖2是準諧振返馳轉換器的典型VVS操作方式。它若能滿足公式1的要求，谷值電壓就會進一步變成零谷值，並讓電路進入ZVS操作模式。 ZVS/VVS大幅提高省電能力和效率。我們只要分析CDS電容所儲存的電能和它在fS開關頻率下的開關功率，就很容易瞭解其原因：

公式3顯示在特定的電容值下，只要減少電容兩端的電壓和所使用的開關頻率，即可降低開關功率Psw。

採用硬切換架構的返馳轉換器只有在CDS兩端電壓很高時才會導通，因此開關功率會變得很大。等到下次導通時，電容CDS儲存的電能就會在MOSFET通道阻抗上產生龐大的開關功耗。這種功耗在離線式AC/DC應用中特別明顯，因為它們高達85~265VAC的輸入交流電壓會在整流後變成很大的直流電壓；相較之下，採用準諧振控制和VVS技術的同一返馳轉換器則能在較低電壓下導通，這是因為它會透過LC諧振將電容儲存的電能送回直流電壓端的電容CBLK，而不是通過MOSFET通道阻抗而變成功耗，故能降低導通電壓。

工程師可利用返馳式準諧振控制器設計準諧振返馳轉換器。準諧振控制器會在某個負載值到額定滿載範圍內執行準諧振控制，並將控制方式分為可變導通時間控制的正常準諧振模式，和固定導通時間控制(又稱為FFM模式)。舉例來說，轉換器可在15%到最大額定負載範圍內執行準諧振控制，並讓控制器在50%到15%的額定負載範圍內採用FFM操作模式。此時，開關頻率會隨著負載減少而下降，以便進一步降低開關損耗。當負載在50%到額定最大值之間時，控制器雖是以正常的準諧振方式操作，但頻率也會隨著負載減少而降低，以減低開關損耗。這類設計通常還會規定最大開關頻率，而且該頻率值多半會設在150kHz以下，使得電磁干擾減至最小，並符合電磁法規要求。

脈衝省略技術脈衝省略技術，又稱為省電模式或突發操作，它能在待機模式等負載很小或完全沒有負載時提供最好的省電能力。在這類負載很小的情形下，只有當輸出電壓超出穩壓範圍時才需要執行開關動作，這表示轉換器不需執行太多的開關動作就能穩定輸出電壓。額外的開關動作只會造成電力浪費，例如減震(snubber)電路會消耗功率，因此每個開關週期都會浪費電力。脈衝省略技術則能跳過部份開關週期，故能避免這類電力損耗。脈衝省略技術只有在輸出電壓低於某個臨界值時才會執行開關動作；此時，初級端的控制器會送一個脈衝電壓到變壓器，讓輸出電壓回升到磁滯範圍的上限，以便電路繼續提供穩壓輸出。脈衝省略技術接著會停止開關動作，直到輸出電壓降到磁滯範圍的下限後，才會立刻恢復開關動作。這種方式能省下所有不必要的開關功耗和電力浪費。

負載很小時，功率因數修正並不能帶來任何好處，反而會由於偏壓需求和開關動作而造成功耗。在負載很小時關閉功率因數修正功能可以省下這些功耗，同時功率因數所受的影響也會最少。為配合這項功能，有些返馳式準諧振控制器會包含1支專用接腳，當該接腳的狀態改變時，就表示負載已降到預設值，電路也可關閉功率因數修正功能。設計人員若如圖1的Ds和Rs所示，增加一個由二極體和電阻構成的簡單電路，就能讓這類狀態接腳做為降低初級端峰值電流的指示接腳。這能降低峰值電流，使負載很小時的諧波功率下降，進而減少耗電；另外，由於通過變壓器的峰值電流變少，變壓器發出的聲音也會變小或完全消失。

本文小結總而言之，設計人員必須採用創新的電源供應技術，才能達成更嚴格的節能標準。電源供應須能在整個負載範圍內提供高效率的省電能力。事實證明AC/DC應用若需獲得最好的省電效能，就應該採用準諧振控制和脈衝省略技術，並讓返馳轉換器配合負載條件使用不同的操作模式。許多新開發的元件都能達到新的節能要求，例如TI的UCC28600就是這類最佳化解決方案之一。圖3是其典型的轉換效率測試結果，圖4則是將UCC28600應用於一個連接通用離線式輸入和18Vdc單電壓輸出的65W返馳轉換器後，利用準諧振控制和脈衝省略技術所得到的待機耗電。